臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)設計

楊培文，　任占峰，　孟慶海

（北方工業(yè)大學機電工程學院，北京　１００１４４）

 摘要：針對傳統(tǒng)的臥螺離心機控制系統(tǒng)存在穩(wěn)定性差、工作效率低的問題，設計了一種臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)；詳細介紹了該系統(tǒng)中共直流母線變頻調速系統(tǒng)、副電機隨動方案及負載率調整方法、ＰＬＣ控制系統(tǒng)、組態(tài)界面的設計。實際應用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，提高了離心機的性能。
    關鍵詞：臥螺離心機；變頻調速；ＰＬＣ控制；雙電機；共直流母線；組態(tài)界面
    中圖分類號：ＴＤ６７　　　文獻標志碼：Ｂ　　　網絡出版時間：２０１２－０９－２５　１４：２４
    ０　引言
    在石油、鉆井等工作環(huán)境條件下，臥螺離心機使用雙電機驅動［１］。主電機工作在電動機狀態(tài)，副電機工作在發(fā)電機狀態(tài)。近些年來，隨著變頻器技術的發(fā)展，共直流母線雙電機變頻器驅動在臥螺離心機上被廣泛應用［２］。共直流母線雙電機變頻器驅動技術把直流母線用適當?shù)姆绞竭M行并接，很好地解決了副電機再生電能的問題。傳統(tǒng)的臥螺離心機控制系統(tǒng)采用繼電器控制，穩(wěn)定性差、工作效率低、易受外界干擾，很難實現(xiàn)自動控制。而ＰＬＣ有較好的抗干擾性能，采用ＰＬＣ控制離心機系統(tǒng)可提高其在惡劣環(huán)境條件下的工作性能。鑒此，筆者設計了一種臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效提高離心機的工作效率，并節(jié)約能耗。
    １·系統(tǒng)整體結構
    臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)主要由變頻器、臥螺離心機、Ｓ７－２００ＰＬＣ　ＣＰＵ２２６、ＭＣＧＳＴＰＣ７０６２Ｋ觸摸屏、上位機和ＭＣＧＳ組態(tài)軟件組成，其結構如圖１所示，其中供漿泵機也采用變頻調速方式，可以根據主、副電機的轉速調整進入離心機轉鼓的油液量。Ｓ７－２００ＰＬＣ　ＣＰＵ２２６采用ＲＳ４８５組成一個網絡，通過控制不同功率的變頻器去調控離心機的主、副電機和泵機的轉速，實現(xiàn)離心機的自動啟動、手動啟動、急停和復位等功能。

             
    ２·共直流母線變頻調速技術
    臥螺離心機共直流母線交流變頻調速系統(tǒng)結構如圖２所示。臥螺離心機由主電機驅動，差速器小軸和副電機同軸連接［３－６］。主、副電機的轉速分別由主機、副機變頻器所控制，將兩者的直流母線并連，使主機、副機變頻器聯(lián)動。副機變頻器由主機變頻器直流母線輸出端供電，三相電源從主機變頻器中輸入。

    ３·副電機隨動方案及負載率調整
    實際應用中，電機傳動一般使用手動控制，即使是變頻調速，也缺乏自動調整環(huán)節(jié)，如果能做到副電機轉速隨動、負載率可調，并且自動調控，則可以提高效率。
    ３．１　隨動方案
    圖２中，副機變頻器由主機變頻器直流母線輸出端供電，將副機變頻器的電源輸入端子Ｒ和Ｔ（端子Ｓ懸空）接到主機變頻器的直流母線輸出端，其輸出電壓大約為５００Ｖ。在主機、副機變頻器連接中，筆者將副機變頻器中的整流過程跳過，這樣就減少了變頻過程中的二極管或晶閘管的壓降損耗。主、副電機功率要求分別為３７ｋＷ和７．５ｋＷ，因此，選用４５ｋＷ的主機變頻器和７．５ｋＷ的副機變頻器。
    主電機和副電機的轉速聯(lián)動調整：將主電機調整到設定的轉動轉速，調整副電機轉速ｎ。副電機轉速ｎｆ的計算公式為
    ｎｆ＝ｎｚ－ＣΔｎ（１）
    式中：ｎｚ為主電機轉速；Ｃ為常數(shù)；Δｎ為設定的轉差速度（根據需要設定）。
    ３．２　負載率調整
    副電機的扭矩和負載率都與離心機的負載有關，可根據離心機的油液量自動調整泵機轉速，進而控制進入轉鼓的油液量。當副機實際扭矩接近或者超過副機額定扭矩×負載率時，泵機轉速將會自動逐漸降低，則泵機輸入的料漿減少，副機扭矩就會降低。根據實際情況，在控制過程中要求副機實際扭矩始終不超過副機額定扭矩×負載率。
    ４·ＰＬＣ控制系統(tǒng)
    ＰＬＣ控制系統(tǒng)要求既能實時控制供漿泵的供液量，又能控制離心機的轉速，從而在鉆井液性能參數(shù)（密度、黏度、固相含量等）發(fā)生變化時，確保離心機始終順利排渣并盡可能發(fā)揮最大處理能力，實現(xiàn)恒排渣功能。該控制系統(tǒng)還應當具有很好的自動控制功能、遠距離監(jiān)控能力，當離心機發(fā)生故障時，能自動停機并發(fā)出報警信號，避免離心機發(fā)生過載、堵塞等故障，從而提高離心機的使用效率并降低風險。ＰＬＣ控制系統(tǒng)中ＰＬＣ的主要功能：（１）接收外部提供的開關信號（主要是按鈕），判斷系統(tǒng)當前的狀態(tài)，并根據需要發(fā)出信號控制變頻器繼而控制電機轉速，完成相對應的控制任務；（２）與人機界面互聯(lián)，實時監(jiān)控電機運轉狀態(tài)并讀取電機參數(shù)。采用西門子Ｓ７－２００ＰＬＣ作為ＰＬＣ控制系統(tǒng)的控制器，采用ＳＴＥＰ　７－ＭｉｃｒｏＷＩＮ　Ｖ４．０［７－９］進行ＰＬＣ軟件編程和調試。ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ點及其功能接線分配如圖３所示。

            
    ５·組態(tài)界面設計
    采用ＭＣＧＳ對臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)的操作界面、變頻器驅動示意圖、電機的參數(shù)設置和故障顯示界面進行組態(tài)。在設計過程中，通過中間寄存器Ｍ把ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ點和組態(tài)界面中的各個操作變量對應關聯(lián)起來，使ＰＬＣ和ＭＣＧＳ能夠功能統(tǒng)一化，通過ＭＣＧＳ也能夠實現(xiàn)對變頻器的控制。系統(tǒng)運行時的組態(tài)界面如圖４所示。

              
    ６·結語
    設計的臥螺離心機變頻調速ＰＬＣ控制系統(tǒng)能使泵機根據進入離心機鉆井液的密度、黏度、固相含量等參數(shù)的不斷變化而對離心機的供液量做出相對應的變化，提高了離心機的工作效率；共直流母線交流變頻調速系統(tǒng)較好地解決了臥螺離心機再生能量的回收問題，并減少了能量損耗。目前，該系統(tǒng)已在華北油田成功應用。
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